收稿日期:2005-01-10;修回日期:2005-09-28
作者简介:宋 军(1976)),男,山东省德州市人,在读博士,主要从事发动机电控方面的研究.柴油机高速电磁阀驱动特性仿真分析
宋 军,黄建平,李孝禄,李书泽,黄 震
(上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200030)
摘要:为了降低电磁阀的功率损耗,确保其长期可靠运转,基于HEUI喷油器,利用Matlab软件对电磁阀
PWM控制方式进行了仿真分析。仿真结果表明,提高线圈电压有助于实现电磁阀快速开启,开启脉冲和PWM占
空比决定了不同阶段电流的大小,PWM脉冲频率影响电流的稳定性,几方面的有机调节,可以实现先高后低理想
的电流波形。仿真结果为电磁阀的柔性控制提供了可靠依据。 关键词:柴油机;电子控制;高速电磁阀;驱动电路;电控液压泵喷嘴;脉宽调制
中图分类号:TP211.5 文献标识码:B 文章编号:1001-2222(2005)05-0048-04
随着电子控制技术的发展,高速电磁阀的引入,
发动机燃油喷射系统的喷油量、喷油正时和喷油速
率可以实现精确控制。为了使电磁阀快速准确地开
启与关闭,除了阀体本身制作精密外,还需要一个高
效的驱动方式。
1 高速电磁阀的驱动特性
与汽油机电磁阀驱动方式不同,柴油机高速电
磁阀阻值低,线圈上电流大,为了降低其功率损耗,
线圈的理想电流波形如图1所示。由于燃油喷射系
统每次喷射的时间很短,电磁铁必须能在很短的时
间内产生强大的吸力来克服复位弹簧的拉力。电磁
吸力与线圈电流成正比,在电磁阀结构参数一定的
情况下,为了使电流在短时间内迅速增大,应尽可能
提高驱动能量输入,即增大线圈电压,以实现电磁阀
的快速开启。但大电流通过线圈必然会造成发热,
为了避免电磁阀过热,阀门开启后应迅速将线圈电
流下降到一个较小的数值,以维持阀门开启状态,这
样既利于减小功耗,又便于及时关闭电磁阀,实现快
速断油,此时的电流称为维持电流。
电磁阀线圈中这种先高后低的电流波形,可以
大幅度降低功率损耗,保证整个喷油系统长期可靠
运行。电磁阀开启阶段消耗的功率占总功耗的比例
很大,与使用单一大电流工作方式相比,这种分段工
作方式节省功率超过50%,并且随着电流维持阶段
所占比例的增大,
功率损耗还会进一步降低。图1 电磁阀线圈理想电流波形
2 电磁阀驱动方式及仿真分析
2.1 电磁阀驱动电路形式
在电控燃油喷射系统中,为了得到理想的电磁
阀控制电流波形,一般采用3种电路形式。
2.1.1 可调电阻式
通过改变不同阶段电路回路中的电阻值,来实
现对电流波形的控制。该电路维持电流调节方便,
但在电流维持阶段的功率很大一部分消耗在分压电
阻上,造成了功率的无效损耗,而且电阻受额定功率
和尺寸的限制,在电路板上布置不便,不符合高集成
度的要求。
2.1.2 双电压式
控制电路通过改变工作过程不同阶段的工作电
压幅值,达到提供较小维持电流,减小能量消耗的目
的。因为要提供两种电压,受到电源形式限制,需要
进行DC)DC变换,增加了整个电路的复杂性;而且第5期(总第159期)2005年10月车 用 发 动 机VEHICLEENGINENo.5(SerialNo.159)Oct.2005电路易受到电源波动的影响,工作可靠性难以保证。
2.1.3 脉宽调制式(PWM)
在该电路中,可以充分发挥微处理器的PWM
功能,对驱动电路进行控制。ECU首先发出电磁阀
打开初期的开启脉冲,线圈电流迅速增大;电磁阀开
启后,电路立即转为PWM运转方式,由于PWM脉
冲波的频率远远大于电磁阀响应频率,因此线圈上得
到的脉冲流的时间平均就形成了维持电流,并可以通
过调节PWM占空比进行控制,PWM驱动控制波形
图2 PWM驱动控制波形如图2所示。与前两种
电路相比,它可以达到
很高的控制精度,是一
种可以满足柔性控制
要求的理想驱动方式。
2.2 PWM驱动方式仿真数学模型
本文基于HEUI)A喷油器(见图3)对高速电
图3 HEUI)A喷油器磁阀的PWM
驱动方式进行
了仿真分析。
HEUI)A喷油
器为Caterpillar
公司用于电控
中压共轨系统
的关键部件,控
制器ECU通过
打开和关闭喷
油器中的高速
电磁阀直接实
现喷油控制。
当ECU发出控制信号打开电磁阀时,高压共轨油
便进入增压活塞的上腔;随着活塞的下移,活塞下腔的燃油压力升高,喷油器针阀打开,喷油开始;燃油
喷射一直持续到喷油控制脉冲结束。高速电磁阀的
驱动性能直接影响着燃油喷射品质。
电磁阀的数学方程包括电路方程、磁路方程和
运动方程。当施加电压U时,线圈电流满足方程
U=iR+Ldi/dt,
式中,R为线圈电阻,L为线圈电感量。
线圈电流的变化引起磁通的变化,根据基尔霍
夫磁压定律可以得出磁路计算模型,即
NKI= 式中,NK=N/K,N为线圈匝数,K为线圈绕组个 数;I为线圈电流; 隙磁阻,RR=Rx/L0A,L0为真空中的磁导率,A为有 效面积,Rx为衔铁在运动过程中与铁芯的空气间隙, Rx=gmax-x,gmax为衔铁在释放时的最大气隙,x为 衔铁的位移;Rf为非工作磁路磁阻;Rm为导磁体磁 阻。 利用得到的磁通,根据麦克斯韦电磁吸力公式, 可以计算出电磁阀吸力 Fmag=kK<2/L0A, 式中,K为修正系数,<为单线圈磁通。 电磁阀的运动方程为 md2xdt2=Fmag-Ks(x+x0)-Cvdxdt, 式中,m为电磁阀运动部件的质量;Ks为电磁阀弹 簧的刚度;x0为电磁阀弹簧的预紧长度;Cv为电磁 阀运动过程中的速度阻尼系数。 对上述方程进行求解,就可以获得电磁阀的动 态响应特性。本文利用MatlabSimulink软件对电 磁阀PWM驱动方式的线圈电流特性进行了仿真分 析,仿真结构如图4所示。 图4 电磁阀PWM驱动方式仿真结构 为了得到如图2所示的PWM控制脉冲波形, 仿真中利用了4个方波信号源进行了组合,并对整 个系统进行了封装,这样可以对影响电流波形的参数方便地进行调节,利用显示模块对仿真结果进行可视化分析。 2.3 仿真结果分析 以HEUI)A喷油器参数为基础,仿真了发动 机转速为600r/min,喷油持续期为4ms时,一个喷#49#2005年10月 宋 军,等:柴油机高速电磁阀驱动特性仿真分析 射循环中电磁阀线圈上的电流变化。 2.3.1 线圈电压的影响 对线圈施加不同电压,可以看出电压对电磁阀 快速响应特性的影响。如图5所示,当线圈电压较 小时,虽然实现了先高后低的电流波形,但电流无法 在0.3ms的开启脉冲内上升到一个较大的数值使 电磁铁获得足够的吸力打开电磁阀;当线圈电压增 大到60V时,线圈电流最大达到7A,超过了电磁 阀开启所需的最小电流6A,电磁阀顺利打开;电压 升高到110V,达到开启电流所需的时间从0.24ms 降到0.13ms。由此可见,线圈电压的增大加快了 电流上升速度,有助于实现电磁阀的快速开启。 图5 不同线圈电压产生的电流波形 2.3.2 开启脉冲的影响 线圈电压保持在60V,改变开启脉冲的大小得 到的电流波形如图6所示。电磁阀开启阶段脉宽从 0.3ms增加到2ms,线圈电流迅速增长;线圈的阻 值决定其最大电流为20A左右,电流上升规律主要 由电磁阀的感性负载特性决定。电磁阀开启以后, 过大的电流将产生不必要的功率损耗,所以,电路除 了需要高电压驱动之外,还需要选择合适的开启脉 宽,以保证线圈能够在较短的时间内获得足够的开 图6 不同开启脉冲下的电流波形启电流,同时避免因时间延长产生大电流而造成的 阀体过热。 2.3.3 占空比的影响 从图7可以看出改变PWM占空比所引起的电 流波形变化。此时,开启脉冲为0.3ms,线圈电压 为60V,随着PWM占空比的增大,维持电流会随 之变大。当占空比超过50%时,线圈电流增长迅 速,其波形与延长开启脉冲时基本一致,造成了功率 损耗过多;但占空比也不宜太小,因为小电流不能确 保稳定地维持电磁阀开启状态。占空比的选择应能 使维持电流为2A左右。结合图5和图6占空比保 持不变时的电流波形可知,维持电流不受开启脉冲 的影响,其大小是由线圈电压和PWM占空比共同 决定的,线圈电压增大时,应适当减小占空比,以实现良好的驱动特性。 图7 不同占空比下的电流波形 2.3.4 PWM脉冲频率的影响 PWM脉冲频率对维持电流稳定性起着决定性 的作用(见第51页图8)。频率为5kHz时的维持 电流波动很大,不利于整个喷射系统的稳定运行;频 率为50kHz时的电流相当平稳,但频率过大增加 了系统设计的硬件负担;采用20kHz便能实现很 好的控制效果。 2.3.5 与实测结果的比较 HEUI)A喷油器驱动电路设计时采用了Mo- torola的MC68HC08GP32单片机,充分利用了该 单片机的PWM信号输出功能,与逻辑控制相结合, 并使用NMOS管进行了功率放大。第51页图9为 各控制参数保持一致时,仿真与实测电流波形的比 较。由图可见,仿真较好地模拟了实际情况,所不同 的是,实际电流的上升速度相对较慢且卸放迅速,这 是因为使用了二极管泻流电路;另外,实测线圈电流 易受负载变化影响而产生波动,电路改进设计时,应#50# 车 用 发 动 机 2005年第5期